Metalle in Lebewesen
-Ein Einblick in die Bioanorganische Chemie-
Gliederung1. Was ist Bioanorganische Chemie?2. Spurenelemente3. Eisen im menschlichen Körper
Versuch 1: Einfluss verschiedener Gase auf die Färbung von Hämoglobin
Versuch 2: Ein Modell der Atmungskette (Baumannscher Versuch)Versuch 3: Quantitative Eisenbestimmung im Feldsalat
4. Metalle im Zentrum der PhotosyntheseVersuch 4: Chlorophyll als Ionenaustauscher
5. Beispiel eines toxischen Metalls: BleiVersuch 5: Hemmung der α-Amylase
6. Abschlussbetrachtung
Was ist Bioanorganische Chemie?
Periodensystem des LebensH He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac
Essentiell für alle Tiere und Pflanzen
Essentiell für bestimmte Klassen von Tieren und Pflanzen
Essentiell für eine Vielfalt von Spezies in einer Klasse
Biochemische Bedeutung unklar
Eine Auswahl essentieller Spurenelement
Eisen: 4 – 5 g
Zink: 0,04 – 0,08 g
Kupfer: 2 – 4 g
Eisenverbindungen im menschlichen Körper
Fe-haltige FraktionErwachsener
[mg / 70 kg]
Hämoglobin/
Myoglobin3000
Enzyme 430
Transport 10
Depot 800
Gesamt 4240
Funktion des Eisens im Hämoglobin
Waschflasche 1:
Blut + Kohlendioxid
Waschflasche 2:
Blut + Sauerstoff
Waschflasche 3:
Blut + Kohlenmonoxid
Versuch 1: Einfluss verschiedener Gase auf die Färbung des Hämoglobins
Die sauerstoffbindende Gruppe:das Häm
Fe2+
Das Hämoglobinmolekül
Bindung von Sauerstoff
O
O
FeFe
Kohlenmonoxid: ein toxisches Gas
N
HN
Fe
C
O
N
HN
Fe
OO
Bindung am freien Häm-Komplex
Bindungsaffinität des CO 25 000 x stärker als die des O2
N
HN
Fe
N
NH
OO
N
HN
Fe
N
NH
OC
Bindung am Hämoglobin
Bindungsaffinität des CO 200 x stärker als die des O2
H-BrückenErzwungene Abknickung
OO
Der Kohlendioxidtransport im Blut
Gewebe
CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+
CO2 + Protein-N H+ + Protein-N
CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+
CO2
Plasma
Rotes Blutkörperchen
Carboanhydrase
langsam
schnell
H
H COO-
H
Auswertung: Versuch 1
Waschflasche 1:
Kohlendioxid:Desoxyhämoglobin
Waschflasche 2:
Sauerstoff: Oxyhämoglobin
Waschflasche 3:
Kohlenmonoxid: Carboxyhämoglobin
Absorptionsspektrum menschlichen Hämoglobins
Oxyhämoglobin, Desoxyhämoglobin Carboxyhämoglobin
E
400 500 600 700 Wellenlänge [nm]
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Funktion des Eisens in der Atmungskette
• Einfache Knallgasreaktion:
H2 + ½ O2 H⇌ 2O Δ G = - 235 kJ/mol
NADH/H+ + ½ O2 ⇌ H2O + NAD+
ADP + Pi ATP⇌
NADH/H+
Chinon
Cytochrom b
Cytochrom c
Cytochromoxidase
½ O2 ½ O2-
2 e-
2 e-
2 e-
2 e-
2 e-
2 H+
H2O
E° [V]
+ 0,81
- 0,32
1,13
Die Elektronentransportkette
2 H+
Cytochrom
Fe2+ Fe3+ e-
e-
Versuch 2: Ein Modell der Atmungskette(Baumannscher Versuch)
2 e-
2 Cys-SH
Cys-S-S-Cys
2 Fe3+
2 Fe2+
2 e-
½ O2
O2-
H2O2 H+
Der Fe(III)-Cystein-Komplex
Eisengehalte in Nahrungsmitteln [mg/100g]
Fisch: 1,0 – 3,0
Fleisch/ Wurst: 2,0 – 17,0
Rohes Obst/ Gemüse: 0,5 – 4,0
Weizenkeime: 9,4
Die Eisenspeicherkrankheit(Hämochromatose)
• Erhöhung des Eisengehaltes im Körper auf bis zu 80 g
• Symptome:
Ermüdungserscheinungen, Hautpigmente, Herzprobleme, Leberzirrhose bis hin zum Leberkrebs
• Therapie:
regelmäßige Blutabnahme in Form eines Aderlasses
Versuch 3: Quantitative Bestimmung von Eisen Feldsalat
Kalibriergerade zur Eisenbestimmung
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 100 200 300 400 500 600
Massenkonzentration [µg/100 ml]
Ex
tin
ktio
n
OC
C
C
H
H
C
CH2OH
HO
HO
CHO
O
+ 2 Fe3+(aq)+ 2 H2O(aq) + 2 Fe2+
(aq)+ 2 H3O+(aq)
Reaktion 2: Pufferwirkung
CH3COO-(aq) + H3O+
(aq) CH3COOH(aq) + H2O(aq)
+III +II
(aq) (aq)
Reaktion 1: Reduktion von Fe3+
+II
+II
+I
+I
B1 S2 S1 B2
OC
C
C
H
H
C
CH2OH
HO
C
O
O
O
Reaktion 3: Komplexierung von Fe2+
N/
N/ /N
/N
N/ /N
Fe2+
N+
/NHCl-
+ Fe2+(aq) + 3 H2O(aq)
+ 3 H3O+(aq) + 3 Cl-(aq)
3(aq)
(aq)
Fe2+
/N
/NN/
N/
N/
/N
Metalle im Zentrum der Photosynthese
• Grundgleichung der Photosynthese
Licht
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2
H2O
Licht
Strukturformel des Chlorophylls
Versuch 4: Chlorophyll als Ionenaustauscher
Reaktionen:1. Ionenaustausch
Chlorophyll Chlorophyllin
2 Cu2+(aq)+ SO3
2-(aq)+ 3 H2O(aq) 2 Cu+
(aq) + SO42-
(aq) + 2 H3O+
(aq)
Cu+(aq) + SCN-
(aq) CuSCN(s)↓ (weiß)
2. Ausfällen der Cu2+-Ionen
3. Nachweis der Mg2+-Ionen mit Titangelb
Mg2+
N
NN
N
Verwendung von Blei
• Beimischung im Benzin als Antiklopfmittel in Form von Pb(C2H5)4 und Pb(CH3)4
• Bleirohre
• Rostschutzmittel (Pb3O4)
• Bleigefäße oder Bleiglasuren (PbSiO3); Bleizucker (Pb(CH3COO)2)
Beispiel eines toxischen Metalls: Blei
• Bleifarben
PbCrO4 Chromgelb
PbCrO4 . PbO Chromrot
Pb(OH)2 . 2 PbCO3 Bleiweiß
• Bleiakkumulatoren
Gesundheitliche Folgen einer Bleikontamination
Akute Bleivergiftungen... • Symptome:
Erbrechen, Darmcholiken, schwere Schädigung der Leber, der Niere und des ZNS
Chronische Bleivergiftungen... • Symptome im Anfangsstadium:
Kopfschmerzen, Verstopfung, Müdigkeit, ÜbelkeitGewichtsabnahme
• Symptome im fortgeschrittenen Stadium: Neusynthese von Blut wird gestört (Anämie),
Sterilität, Fehlgeburten, geistiges Zurückbleiben in der Wachstumsphase
Stärke (Amylose)
α-Amylase
Zucker (Glucose)
Versuch 5: Hemmung der α- Amylase durch Blei(II) -ionen
Polyiodidionen
Mögliche Reaktionen von Pb2+ mit der Aminosäure Cystein
C
C
C
H
H SH
H3N H
OOH
C
CH
C
H
H
H3N
S
O
Pb2+O
+
PbSC
CHC OH3N
O
HH
SH
+
OH
+ Pb2++ O
SPb
Pb
O
S
+
+ 2 H+
C
CH
C
H
H
H3N
OH
C
CH
C
H
HS
O
Pb2+
S
OH
H3N
O
+ +Pb
S S
+ Pb2+
+ 2 H+
• Paracelsus (1493-1541):
„Was ist das nit gifft ist? Alle ding sind gifft/ und nichts ohn gifft/ allein die dosis macht das ein ding kein gifft ist.“